#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <fstream>
using namespace std;

ifstream File_Input;
ofstream File_Output;

struct Case_struct {
    bool freeze[4][5]; // true -> no move ; false -> can move
    unsigned char status[4][5]; // 0xFF -> undefined ; 0xFE -> space
    unsigned char type[15]; // 0 -> 2 * 2 ; 1 -> 2 * 1 ; 2 -> 1 * 2 ; 3 -> 1 * 1
    unsigned long long code;
};
vector <vector <Case_struct *> > Layer;
vector <vector <vector <int> > > Hash;
vector <vector <vector <int> > > Layer_Next;
vector <vector <vector <int> > > Layer_Source;
vector <int> int_vector;
int layer_num, layer_index;

void debug(Case_struct &dat);
unsigned long long Change_int (char str[10]);
string Change_str(unsigned long long dat);
bool Parse_Code(Case_struct &dat, unsigned long long Code);
void Get_Code(Case_struct &dat);
void Find_Sub_Case(Case_struct &dat, int &num, int x, int y, bool addr[4][5]);
void Build_Case(Case_struct &dat, int &num, int x, int y, bool addr[4][5]);
void Find_Next_Case(Case_struct &dat_raw);
void Add_Case(Case_struct *dat);
void Calculate(unsigned long long code);
void Free_Data();

int main() {
    cout << "Klotski Calculator by Dnomd343" << endl;
    cin.get();
    cout << "start" << endl;
    //Calculate(0x4FEA13400); // 0x1A9BF0C00 0x2CF519C00 0x652D7F000 0x2B1877C00
    //Calculate(0x652D7F000);
    // 测速
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        Calculate(0x4FEA13400);
    }

    // cout << endl << "Output:" << endl;
    // for (int i = 0; i < Layer.size(); i++) {
    //     cout << "Layer[" << i << "] -> " << Layer[i].size() << endl;
    // }
    
    
    // int num = 1;
    // cout << "layer[" << num << "].size = " << Layer_Source[num].size() << endl;
    // for (int i = 0; i < Layer_Source[num].size(); i++) {
    //     cout << "    (" << num << "," << i << ") -> ";
    //     for (int j = 0; j < Layer_Source[num][i].size(); j++) {
    //         cout << "(" << num - 1 << "," << Layer_Source[num][i][j] << ") ";
    //     }
    //     cout << endl;
    // }

    // int num = 221;
    // cout << "layer[" << num << "].size = " << Layer_Source[num].size() << endl;
    // for (int i = 0; i < Layer_Next[num].size(); i++) {
    //     cout << "    (" << num << "," << i << ") -> ";
    //     for (int j = 0; j < Layer_Next[num][i].size(); j++) {
    //         cout << "(" << num + 1 << "," << Layer_Next[num][i][j] << ") ";
    //     }
    //     cout << endl;
    // }

    cout << "bye..." << endl;
    return 0;
}

void Free_Data() { //释放数据
    for (int i = 0; i < Layer.size(); i++) { // 释放Layer中指向的全部节点
        for (int j = 0; j < Layer[i].size(); j++) {
            delete Layer[i][j];
        }
    }
    Layer.clear(); // 清空层数据
    Hash.clear(); // 清空哈希表
    Layer_Next.clear(); // 清空子节点标识
    Layer_Source.clear(); // 清空父节点标识
}

void Calculate(unsigned long long code) { // 计算输入编码的全部层数据
    Free_Data(); // 释放上一次计算的数据
    Case_struct *dat = new Case_struct;
    vector <Case_struct *> empty_layer;
    vector <vector <int> > int_2nd_vector;
    vector <vector <int> > hash_layer;
    hash_layer.resize(0x100); // 单层哈希索引设定为8位
    Parse_Code(*dat, code); // 解译输入编码
    Layer.push_back(empty_layer); // 添加首层
    Hash.push_back(hash_layer);
    Layer_Next.push_back(int_2nd_vector);
    Layer_Source.push_back(int_2nd_vector);
    Layer[0].push_back(dat); // 添加根节点
    Hash[0][0xff & (code >> 24)].push_back(0);
    Layer_Next[0].push_back(int_vector);
    Layer_Source[0].push_back(int_vector);
    layer_num = layer_index = 0; // 定义入口为根节点
    while (1 == 1) { // 创建死循环
        if (layer_index == 0) { // 若在计算层的第一个元素
            Layer.push_back(empty_layer); // 则新增一层
            Hash.push_back(hash_layer);
            Layer_Next.push_back(int_2nd_vector);
            Layer_Source.push_back(int_2nd_vector);
        }
        Find_Next_Case(*Layer[layer_num][layer_index]); // 寻找子布局
        if (layer_index == Layer[layer_num].size() - 1) { // 若在层的最后一个元素
            if (Layer[layer_num + 1].size() == 0) { // 若下一层是空的
                break; // 已全部搜索完毕 退出搜索循环
            }
            layer_num++; // 计算目标移到下一层第一个元素
            layer_index = 0;
        } else { // 不是最后一个元素
            layer_index++; // 计算目标移到下一元素
        }
    }
    Layer.pop_back(); // 移除最后的空层
    Hash.pop_back();
    Layer_Next.pop_back();
    Layer_Source.pop_back();
}

void Add_Case(Case_struct *dat) { // 新节点若不重复即可以加入
    int x, y, k, num;
    int hash_index = (0xff & ((*dat).code >> 24)); // 取编码低24 ~ 32位作为哈希索引
    num = layer_num; // 扫描目标为当前计算所在层
    for (k = 0; k < Hash[num][hash_index].size(); k++) { // 遍历对应索引
        if ((*Layer[num][Hash[num][hash_index][k]]).code == (*dat).code) { // 若发现重复
            delete dat; // 释放不加入的节点
            return; // 退出
        }
    }
    num++; // 向下一层
    for (k = 0; k < Hash[num][hash_index].size(); k++) { // 遍历对应索引
        if ((*Layer[num][Hash[num][hash_index][k]]).code == (*dat).code) { // 若发现重复
            for (x = 0; x < 4; x++) { // 遍历freeze表
                for (y = 0; y < 5; y++) {
                    if ((*dat).freeze[x][y] == true) { // 将输入表合并到原先的表上
                        (*Layer[num][Hash[num][hash_index][k]]).freeze[x][y] = true;
                    }
                }
            }
            Layer_Next[layer_num][layer_index].push_back(Hash[num][hash_index][k]); // 添加子节点数据
            Layer_Source[num][Hash[num][hash_index][k]].push_back(layer_index); // 添加父节点数据
            delete dat; // 释放不加入的节点
            return; // 退出
        }
    }
    Hash[layer_num + 1][0xff & ((*dat).code >> 24)].push_back(Layer[layer_num + 1].size()); // 添加索引
    Layer[layer_num + 1].push_back(dat); // 新增布局到Layer对应层中
    Layer_Next[layer_num + 1].push_back(int_vector); // 新建子节点
    Layer_Source[layer_num + 1].push_back(int_vector); // 新建父节点
    Layer_Next[layer_num][layer_index].push_back(Layer[layer_num + 1].size() - 1); // 添加子节点数据
    Layer_Source[layer_num + 1][Layer_Source[layer_num + 1].size() - 1].push_back(layer_index); // 添加父节点数据
}

void Find_Next_Case(Case_struct &dat_raw) { // 找到下一步移动的情况(一步可以为同一块多次移动) 结果聚集到Add_Case中
    int num, x, y, i, j;
    bool addr[4][5]; // 在Find_Sub_Case深搜中用于剪枝
    Case_struct dat = dat_raw;
    for (y = 0; y < 5; y++) { // 仅保留空格位置的freeze为true
        for (x = 0; x < 4; x++) {
            if (dat.status[x][y] != 0xFE && dat.freeze[x][y] == true) { // 不为空格但freeze为true
                dat.freeze[x][y] = false; // 重置为false
            }
        }
    }
    for (y = 0; y < 5; y++) { // 遍历整个棋盘
        for (x = 0; x < 4; x++) {
            if (dat_raw.freeze[x][y] == true) {continue;} // 遇到freeze为true的跳过
            num = dat.status[x][y]; // 统一修改(x, y)块 减少代码量
            dat.status[x][y] = 0xFE;
            dat.freeze[x][y] = true;
            for (i = 0; i < 4; i++) { // 初始化
                for (j = 0; j < 5; j++) {
                    addr[i][j] = false;
                }
            }
            addr[x][y] = true; // 加入当前块 防止重复查询
            switch (dat.type[num]) {
                case 0: // 2 * 2
                    dat_raw.freeze[x + 1][y] 
                        = dat_raw.freeze[x][y + 1] = dat_raw.freeze[x + 1][y + 1] = true;
                    dat.status[x + 1][y] = dat.status[x][y + 1] = dat.status[x + 1][y + 1] = 0xFE;
                    dat.freeze[x + 1][y] = dat.freeze[x][y + 1] = dat.freeze[x + 1][y + 1] = true;
                    Find_Sub_Case(dat, num, x, y, addr); // 进行子步递归搜索
                    dat.status[x + 1][y] = dat.status[x][y + 1] = dat.status[x + 1][y + 1] = num;
                    dat.freeze[x + 1][y] = dat.freeze[x][y + 1] = dat.freeze[x + 1][y + 1] = false;
                    break;
                case 1: // 2 * 1
                    dat_raw.freeze[x + 1][y] = true;
                    dat.status[x + 1][y] = 0xFE;
                    dat.freeze[x + 1][y] = true;
                    Find_Sub_Case(dat, num, x, y, addr); // 进行子步递归搜索
                    dat.status[x + 1][y] = num;
                    dat.freeze[x + 1][y] = false;
                    break;
                case 2: // 1 * 2
                    dat_raw.freeze[x][y + 1] = true;
                    dat.status[x][y + 1] = 0xFE;
                    dat.freeze[x][y + 1] = true;
                    Find_Sub_Case(dat, num, x, y, addr); // 进行子步递归搜索
                    dat.status[x][y + 1] = num;
                    dat.freeze[x][y + 1] = false;
                    break;
                case 3: // 1 * 1
                    Find_Sub_Case(dat, num, x, y, addr); // 进行子步递归搜索
                    break;
            }
            dat.status[x][y] = num; // 复原统一修改的块
            dat.freeze[x][y] = false;
        }
    }
}

void Find_Sub_Case(Case_struct &dat, int &num, int x, int y, bool addr[4][5]) { // 找到下一个单格移动的情况
    switch (dat.type[num]) {
        case 0: // 2 * 2
            if (y != 0) { // 不在最上面
                if (dat.status[x][y - 1] == 0xFE && dat.status[x + 1][y - 1] == 0xFE) { // 上面为空
                    Build_Case(dat, num, x, y - 1, addr);
                }
            }
            if (y != 3) { // 不在最下面
                if (dat.status[x][y + 2] == 0xFE && dat.status[x + 1][y + 2] == 0xFE) { // 下面为空
                    Build_Case(dat, num, x, y + 1, addr);
                }
            }
            if (x != 0) { // 不在最左边
                if (dat.status[x - 1][y] == 0xFE && dat.status[x - 1][y + 1] == 0xFE) { // 左边为空
                    Build_Case(dat, num, x - 1, y, addr);
                }
            }
            if (x != 2) { // 不在最右边
                if (dat.status[x + 2][y] == 0xFE && dat.status[x + 2][y + 1] == 0xFE) { // 右边为空
                    Build_Case(dat, num, x + 1, y, addr);
                }
            }
            break;
        case 1: // 2 * 1
            if (y != 0) { // 不在最上面
                if (dat.status[x][y - 1] == 0xFE && dat.status[x + 1][y - 1] == 0xFE) { // 上面为空
                    Build_Case(dat, num, x, y - 1, addr);
                }
            }
            if (y != 4) { // 不在最下面
                if (dat.status[x][y + 1] == 0xFE && dat.status[x + 1][y + 1] == 0xFE) { // 下面为空
                    Build_Case(dat, num, x, y + 1, addr);
                }
            }
            if (x != 0) { // 不在最左边
                if (dat.status[x - 1][y] == 0xFE) { // 左边为空
                    Build_Case(dat, num, x - 1, y, addr);
                }
            }
            if (x != 2) { // 不在最右边
                if (dat.status[x + 2][y] == 0xFE) { // 右边为空
                    Build_Case(dat, num, x + 1, y, addr);
                }
            }
            break;
        case 2: // 1 * 2
            if (y != 0) { // 不在最上面
                if (dat.status[x][y - 1] == 0xFE) { // 上面为空
                    Build_Case(dat, num, x, y - 1, addr);
                }
            }
            if (y != 3) { // 不在最下面
                if (dat.status[x][y + 2] == 0xFE) { // 下面为空
                    Build_Case(dat, num, x, y + 1, addr);
                }
            }
            if (x != 0) { // 不在最左边
                if (dat.status[x - 1][y] == 0xFE && dat.status[x - 1][y + 1] == 0xFE) { // 左边为空
                    Build_Case(dat, num, x - 1, y, addr);
                }
            }
            if (x != 3) { // 不在最右边
                if (dat.status[x + 1][y] == 0xFE && dat.status[x + 1][y + 1] == 0xFE) { // 右边为空
                    Build_Case(dat, num, x + 1, y, addr);
                }
            }
            break;
        case 3: // 1 * 1
            if (y != 0) { // 不在最上面
                if (dat.status[x][y - 1] == 0xFE) { // 上面为空
                    Build_Case(dat, num, x, y - 1, addr);
                }
            }
            if (y != 4) { // 不在最下面
                if (dat.status[x][y + 1] == 0xFE) { // 下面为空
                    Build_Case(dat, num, x, y + 1, addr);
                }
            }
            if (x != 0) { // 不在最左边
                if (dat.status[x - 1][y] == 0xFE) { // 左边为空
                    Build_Case(dat, num, x - 1, y, addr);
                }
            }
            if (x != 3) { // 不在最右边
                if (dat.status[x + 1][y] == 0xFE) { // 右边为空
                    Build_Case(dat, num, x + 1, y, addr);
                }
            }
            break;
    }
}

void Build_Case(Case_struct &dat, int &num, int x, int y, bool addr[4][5]) { // 实现移动并将结果发送到Add_Case
    if (addr[x][y] == true) { // 重复
        return; // 退出
    } else {
        addr[x][y] = true; // 加入位置数据
    }
    Case_struct *dat_mod = new Case_struct; // 新建对象 在Add_Case中加入层中或被释放
    *dat_mod = dat;
    switch ((*dat_mod).type[num]) { // 注入移动后的信息
        case 0: // 2 * 2
            (*dat_mod).status[x][y] = (*dat_mod).status[x][y + 1] 
                = (*dat_mod).status[x + 1][y] = (*dat_mod).status[x + 1][y + 1] = num;
            break;
        case 1: // 2 * 1
            (*dat_mod).status[x][y] = (*dat_mod).status[x + 1][y] = num;
            break;
        case 2: // 1 * 2
            (*dat_mod).status[x][y] = (*dat_mod).status[x][y + 1] = num;
            break;
        case 3: // 1 * 1
            (*dat_mod).status[x][y] = num;
            break;
    }
    Get_Code(*dat_mod); // 更新移动后的编码
    Add_Case(dat_mod); // 发送给Add_Case
    Find_Sub_Case(dat, num, x, y, addr); // 递归搜索
}

void Get_Code(Case_struct &dat) { // 获取编码并存储在dat.code 输入数据必须无误
    bool temp[4][5]; // 用于临时标记
    int x, y, num;
    dat.code = 0;
    for (x = 0; x < 4; x++) { // 初始化temp
        for (y = 0; y < 5; y++) {
            temp[x][y] = false;
        }
    }
    num = 0;
    for (y = 0; y < 5; y++) { // 遍历20个格
        for (x = 0; x < 4; x++) {
            if (temp[x][y] == true) {continue;} // 该格已被占用
            if (dat.status[x][y] == 0xFE) { // space
                num++;
                dat.code <<= 2;
                continue;
            }
            switch (dat.type[dat.status[x][y]]) { // type -> 0 / 1 / 2 / 3
                case 0: // 2 * 2
                    dat.code |= (x + y * 4) << (num * 2); // 写入2 * 2块位置
                    temp[x][y + 1] = temp[x + 1][y] = temp[x + 1][y + 1] = true; // 标记占用
                    break;
                case 1: // 2 * 1
                    num++;
                    dat.code <<= 2;
                    dat.code |= 1; // 01
                    temp[x + 1][y] = true; // 标记占用
                    break;
                case 2: // 1 * 2
                    num++;
                    dat.code <<= 2;
                    dat.code |= 2; // 10
                    temp[x][y + 1] = true; // 标记占用
                    break;
                case 3: // 1 * 1
                    num++;
                    dat.code <<= 2;
                    dat.code |= 3; // 11
                    break;
            }
        }
    }
    dat.code <<= (16 - num) * 2; // 左移使编码占满低36位
    dat.code &= 0xFFFFFFFFF; // 清除高28位内容
}

bool Parse_Code(Case_struct &dat, unsigned long long Code) { // 解析编码 返回false表示编码有误
    unsigned char range[16]; // dat低32位分16组
    int i, x, y, num, space_num = 0;
    dat.code = Code;
    for (x = 0; x < 4; x++) { // 初始化status和freeze
        for (y = 0; y < 5; y++) {
            dat.status[x][y] = 0xFF;
            dat.freeze[x][y] = false;
        }
    }
    for (i = 0; i < 15; i++) { // 初始化type
        dat.type[i] = 0xFF;
    }
    num = 0;
    for (i = 15; i >= 0; i--) { // 载入排列到range
        range[i] = Code & 0x3  ;
        if (range[i] == 0) {num++;}
        Code >>= 2;
    }
    if (num < 2) {return false;} // 0的个数低于两个出错
    if (Code > 14) {return false;} // 排除越界情况
    if (Code % 4 == 3) {return false;}
    dat.type[0] = 0; // 载入2 * 2方块
    x = Code % 4;
    y = Code / 4;
    dat.status[x][y] = dat.status[x + 1][y] = dat.status[x][y + 1] = dat.status[x + 1][y + 1] = 0;

    num = x = y = 0;
    for (i = 0; i < 16; i++) {
        while (dat.status[x][y] != 0xFF) { // 找到下一个未填入的位置
            if (++x == 4) {
                x = 0;
                if (++y == 5) { // 已填满20个空位 越界
                    if (space_num < 2) {return false;} // 空格低于两个 出错
                    for (num = i; num < 16; num++) { // 检查余下编码是否为0
                        if (range[num] != 0) {return false;} // 出现非0 编码错误
                    }
                    return true; // 全为0 编码正确
                }
            }
        }
        switch (range[i]) { // 分别处理四种情况
            case 0: // space
                space_num++;
                dat.status[x][y] = 0xFE;
                dat.freeze[x][y] = true; // 空格标记为不可移动
                break;
            case 1: // 2 * 1
                if (x == 3) {return false;} // 越界出错
                if (dat.status[x + 1][y] != 0xFF) {return false;} // 方块重叠
                num++;
                dat.type[num] = 1;
                dat.status[x][y] = dat.status[x + 1][y] = num;
                break;
            case 2: // 1 * 2
                if (y == 4) {return false;} // 越界出错
                if (dat.status[x][y + 1] != 0xFF) {return false;} // 方块重叠
                num++;
                dat.type[num] = 2;
                dat.status[x][y] = dat.status[x][y + 1] = num;
                break;
            case 3: // 1 * 1
                num++;
                dat.type[num] = 3;
                dat.status[x][y] = num;
                break;
        }
    }
    return true; // 20格恰好被填满
}

string Change_str(unsigned long long dat) { // 将数字转化为文本编码
    string str;
    str.resize(9); // 修改其长度为9位
    for (int i = 8; i >= 0; i--) { // 将每一位从数值转为ASCII码
        if ((dat & 0xF) <= 9) { // 0 ~ 9
            str[i] = (dat & 0xF) + 48;
        } else { // A ~ F
            str[i] = (dat & 0xF) + 55;
        }
        dat >>= 4;
    }
    return str;
}

unsigned long long Change_int (char *str) { // 将文本编码转化为数字(传入9位字符串)
    unsigned long long dat = 0;
    for (int i = 0; i < 9; i++) { // 将每一位从ASCII码转为数值
        dat <<= 4;
        if (str[i] >= 48 && str[i] <= 57) { // 0 ~ 9
            dat |= str[i] - 48;
        } else if (str[i] >= 65 && str[i] <= 70) { // A ~ F
            dat |= str[i] - 55;
        } else if (str[i] >= 97 && str[i] <= 102) { // a ~ f
            dat |= str[i] - 87;
        }
	}
    return dat;
}

void debug(Case_struct &dat) {
    cout << "status" << endl;
    for (int y = 0; y < 5; y++) {
        for (int x = 0; x < 4; x++) {
            if (dat.status[x][y] <= 9) { // 0 ~ 9
                cout << int(dat.status[x][y]) << " ";
            } else if (dat.status[x][y] <= 0xE) { // A ~ E
                cout << char(dat.status[x][y] + 55) << " ";
            } else if (dat.status[x][y] == 0xFE) { // space
                cout << ". ";
            } else if (dat.status[x][y] == 0xFF) { // undefined
                cout << "* ";
            } else { // error
                cout << "! ";
            }
        }
        cout << endl;
    }
    cout << "freeze" << endl;
    for (int y = 0; y < 5; y++) {
        for (int x = 0; x < 4; x++) {
            if (dat.freeze[x][y] == true) {
                cout << "x ";
            } else {
                cout << "- ";
            }
        }
        cout << endl;
    }
    cout << "type" << endl;
    for (int i = 0; i < 15; i++) {
        if (i < 10) {
            cout << i;
        } else {
            cout << char(i + 55);
        }
        cout << " -> ";
        if (dat.type[i] == 0) {
            cout << "2 * 2" << endl;
        } else if (dat.type[i] == 1) {
            cout << "2 * 1" << endl;
        } else if (dat.type[i] == 2) {
            cout << "1 * 2" << endl;
        } else if (dat.type[i] == 3) {
            cout << "1 * 1" << endl;
        } else {
            cout << "undefined" << endl;
        }
    }
    cout << "code: " << Change_str(dat.code) << endl;
}